地質雷達在隧道檢測中的空洞圖像分析

張海紅（甘肅省交通科學研究院有限公司，甘肅蘭州 730050）

地質雷達在隧道檢測中的空洞圖像分析

張海紅
（甘肅省交通科學研究院有限公司，甘肅蘭州 730050）

地質雷達技術是隨著高頻電磁波和信號處理技術發展起來的一項無損檢測技術。本文以地質探測空洞為基本原理，對隧道檢測中的空洞圖像進行了具體分析，以便更好的了解隧道初次支護和二次襯砌中存在空洞的情況，分析對其安全及運營的影響，為隧道施工質量檢測和維護提供指導。

地質雷達 隧道檢測 空洞 圖像

隨著我國公路、公路網發展快速發展，隧道建設將越來越多。隧道初次支護和二次襯砌中存在空洞將對隧道的建設的安全及運營的安全嚴重的影響，因此，空洞的探測是隧道建設質量檢測和隧道維護檢測中重點探測的病害之一。在二次襯砌中，模板與模板交界處，經常會出現直角三角形空洞，在初次支護或二次襯砌中經常會出現近似圓形或矩形空洞及類似幾種形狀的組合形式空洞。為了更好的對各種形狀的空洞進行數據解釋。本文通過數值模擬和物理模型試驗選取了比較有代表性的形狀即直角三角形、矩形和圓形進行研究。總結了各種形狀的空洞地質雷達圖譜特征，為隧道施工質量檢測和維護檢測提供指導。

1 地質雷達探測空洞原理

地質雷達工作原理是使用頻率為nMHz～nGHz 的電磁波， 通過發射天線向介質發射寬頻帶短脈沖電磁波，電磁波在介質中沿特定的方向傳播，當遇到介電常數不同的分界面時或目標物發生反射，由介質表面的接收天線接收，根據接收到雷達波的波形，振幅強度和時間變化特征推測界面和目的物。根據電磁學理論，當電磁波在地下介質傳播時，遇到不同電介質的分界面時，由于上下界面的電磁性差異，將發生反射和折射。兩側介電常數的差異決定了反射系數大小；又因為雷達反射波的振幅大小與反射系數成正比，因而，當相鄰介質的相對介電常數差異越大，反射系數就越大，反射振幅也就越大，反射界面也就越容易識別；當相鄰介質的相對介電常數差異越小，反射系數越小，反射振幅也就越小，反射界面越不容易識別，介質的界面和目標物也就越不容易找到。

2 探測實驗

2.1 工程概況

西狹隧道為左右行分離式的雙洞特長隧道，位于十堰至天水高速公路甘肅段，天水端洞口段為小凈距。隧道右線起訖樁號為YK599+71 5～YK603+005，長32 90m；左線起訖樁號為ZK599+715～ZK603+017，長3302m。

2.2 實驗概述

物理模型：利用硬紙板制作成直角三角柱和長方體，由于硬紙板不容易制作成圓柱體，利用兩端用硬質板堵住PVC管制成圓柱體。將圓柱體、直角三角柱和長方體依次埋置于砂槽中心。模型的埋置為：模型頂面埋深為5cm，沿砂槽縱向二維剖面得到的形狀分別為圓形、直角三角形和矩形空洞。圓形空洞的直徑為10cm，直角三角形的直角邊邊長均為30cm，矩形的的邊長分別為20cm和30cm。本次探測使用的地質雷達為加拿大產的Ekko，使用的天線為頻率1GHz。

2.3 探測結果

應用地質雷達對依次埋有圓形、直角三角形和正方形的空洞砂槽進行探測，其探測結果各圖存在以下共性，各圖形到強反射信號頂面的時間相同，反映了各圖形埋置深度相等。在2.2m 左右，存在雙曲線強反射信號，且存在多次反射，其是砂槽邊緣存在金屬擋板造成的干擾。圖1（a）中，在深度1.3ns，水平距離1m 處存在一條雙曲線強反射信號；圖1（b） 中，在深度1.3ns，水平距離1m 處存在傾斜線型強反射信號，且其下存在多次反射強反射信號，在直線淺部端存在弧形強反射信號，該反射信號相對于直線信號稍弱；圖1（c）在深度1.3ns，水平距離0.8m 至1.2m處存在水平直線型強反射信號， 且其下存在多次反射信號，在其兩側存在多次弧形散強反射信號，且其信號比直線強反射信號稍弱。

3 地質雷達圖形分析

（1）單點反射波波形圖。地質雷達單點反射波波形圖橫軸代表探測距離，縱軸代表電磁波相對振幅。是地質雷達發射一次電磁脈沖得到的反射波圖像。從單點反射波波形圖中可以看出反射波的振幅、頻率、相位等信息。

（2）反射波波形堆積圖。地質雷達反射波波形堆積圖橫軸代表測線長度，縱軸代表探測距離。波形堆積圖通過地質雷達連續測量得到，其實質是多個單點反射波波形并排組合的圖形。該剖面圖是地質雷達最常見的成果解譯圖件，其直觀地描繪出了沿測線的斷面反射波變化特征。相比于單點反射波波形圖，波形堆積圖最重要的圖像信息是同相軸形態。

（3）反射波彩色堆積圖。地質雷達反射波彩色堆積圖橫軸代表測線長度，縱軸代表探測距離。彩色堆積圖同樣通過地質雷達連續測量獲得，是在波形堆積圖的基礎上以不同顏色表反射波不同的振幅大小，相比于波形堆積圖，彩色堆積圖更直觀、清楚。

（4）反射波頻譜分析圖。雷達反射波頻譜圖橫坐標代表頻率值，縱坐標代表反射波能量值。由于介質對雷達波能量的吸收總是從高頻開始，故頻譜圖顯示了反射波能量損耗狀況。

4 結語

通過數值模擬和物理模型實驗可知，應用地質雷達可以探測到圓形空洞、直角三角形空洞和矩形空洞的存在。圓形空洞的地質雷達圖像特征為：存在雙曲線型強反射信號；直角三角形空洞地質雷達圖像特征為：存在傾斜直線型強反射信號，且其下存在多次反射，直線淺部端點處存在散射波；矩形空洞的地質雷達圖像特征為：存在水平直線型強反射信號，且其下存在多次反射信號，在直線兩端存在散射強反射信號。

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